Учился во Вхутемасе (1920—25). Преподавал во ВГИКе (1945—72, профессор). В большинстве работ зрелого периода Пименов с живой непосредственностью и тонким пониманием красоты и поэзии повседневности раскрывал особенности облика и быта Москвы, показывая жизнь обычных москвичей. Создав обобщённый, возвышенно-идеальный и в то же время совершенно конкретный образ города («Новая Москва», 1937), продолжал развивать эту тему в её более частных, индивидуальных вариациях, отражая в своих произведениях движение времени, определявшего судьбы Москвы и её жителей. Картины московской жизни 30-х гг. полны оптимизма, ощущения полноты бытия (триптих «Москва», 1938; иллюстрации к книге С.Я. Маршака «Хороший день», 1941). В годы Великой Отечественной войны преобладали суровая лаконичность и обобщённость образов, запечатлевших город военного времени («Ночная улица», 1942; «Следы шин», 1944; «Снег идёт», 1945). В послевоенные годы городской пейзаж, насыщенный настроениями мирной жизни, органично соединился с полными обаяния женскими образами («Весеннее окно», 1949; «В весеннем парке», акварель, 1955). Москва в произведениях Пименова предстаёт деловой, исполненной движения и красочно-шумной («Конечная станция», 1955; «В центре Москвы», «Центральный рынок», «Проливной дождь», «Обыкновенное утро», все — 1957). Особой темой в 60-х гг. стала жизнь новостроек, московских окраин: серия «Новые кварталы» («Первые модницы нового квартала», 1961, ГРМ; «Свадьба на завтрашней улице», 1962, «Ливень», 1963, обе — в ГТГ). Тонко и образно Пименову удалось раскрыть тесное соприкосновение старого города и заполнившего его нового молодого бытия («Кусок стекла», 1966, ГТГ). В многочисленных натюрмортах Пименова предметы красочно и достоверно передают атмосферу московского быта («Актриса», 1935, «Старые и новые вещи», 1967, оба — в ГТГ); фрагменты городского пейзажа нередко вплетаются в замкнутый мир вещей, составляя его индивидуальный лирический тон, то спокойно-умиротворённый («Окно», 1935), то напряжённо-эмоциональный («Ожидание», из серии «Вещи людей», ГТГ). С 30-х гг. Пименов работал как театральный художник, стремился к праздничной зрелищности и достоверности воссоздания на сцене места действия («Сирано де Бержерак», 1941, Театр имени Ленинского комсомола; «За тех, кто в море», 1947, Малый театр; «Степь широкая», 1949, ЦТСА; «На белом свете», 1947, «Наш современник», 1949, оба спектакля — Малый театр). Выполнил эскизы к кинофильму «Кубанские казаки» (1949). Писал портреты людей, связанных с театральным миром (З. Райх в роли Маргариты Готье, 1934, акварель, гуашь, ГТГ; Т.Е. Самойлова в роли Анны Карениной, 1966, собственность семьи), делал театральные и киноафиши.
Среди монументальных произведений Пименова — панно «Россия — Красная площадь» (1950). Ленинская премия (1967), Государственная премия СССР (1947, 1950).